（电力系统及其自动化专业论文）基于超短期自适应预测的变电站电压无功综合模糊控制.pdf

武汉大学硕士论文基于超短期自适应预测的变电站电压无功综合模糊控制 a b s t r a c t b a s e do nt h eb a s i cp r i n c i p l e so fv o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e rc o n t r o l ( v q c ) i ne l e c t r i c p o w e rs y s t e m ，t o g e t h e rw i t ht h em a i nm o d u l a t i n gt a r g e ti ns u b s t a t i o n ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h e p r e s e n td e v e l o p i n gs t a t u so fv q c ，a n ds o m ec u r r e n td e f i c i e n c y i sd i s c u s s e d t h e n ，an o v e l o n - l i n e c o n t r o l s t r a t e g y i s d e s i g n e d t od e v e l o p a l l a d v a n c e da n ds t a b l ev q ca p p a r a t u s s u p e r v i s o r i n g t h el o a dt a pc h a n g i n gt r a n s f o r m e r ( l t c ) a n dt h e t h y r i s t o r - c o n t r o l l e d s w i t c h i n gc a p a c i t o r s ( t c s c ) t h en o v e l3 2 _ b i tm c u m c 6 8 h c 3 7 6a sw e l la st h eb l u e t o o t h t e c h n o l o g ya r ea p p l i e d t h i s s t r a t e g y o b t a i n s v o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e rs e r i e sv i ah i g h s p e e dq a d ca n d c o m p u t a t i o n 。t h e na ni m p r o v e da d a p t i v e e a s ts q u a r ep r o c e d u r ei sc o n s t r u c t e dt of o r e c a s tt h e n e x tp r o s p e c t i v ev a l u ef o rv & q i nt h i sm o d e l g r a yr e l a t i v i t ya n a l y s i si s a p p l i e dt ob u i l dt h e a p p r o p r i a t ew e i g h ts e r i e s ，s o t h a tt h em o d e lc a na d a p t i v e l yf o l l o wt h ef l u c t u a t i o no ft h e e l e c t r i c a l p a r a m e t e r s t oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h em o d e l ，t h ef o r e c a s te r rs e r i e sa r e p r e t r e a t e dt ob ea n a l y z e db yg m ( 1 ，1 ) t op r e d i c tt h en e x tp r o s p e c t i v ee r r , w h i c hi sa d d e dt ot h e p r i m a r yf o r e c a s tv a l u e t h et i m ea h e a d c a nb em o d i f i e db yt h es o f t w a r ea c c o r d i n gt ot h ef i e l d r e q u i r e m e n t b e c a u s e t h e a p p a r a t u s c a r lj u d g ea n dc o n t r o li na d v a n c e t h et i m e o ft h e u n q u a l i f i e dp a r a m e t e r si sd e c r e a s e d i nt h i sp a p e r , an o v e l1 7 - a r e ac o n t r o ls t r a t e g yw i t hd i s c r e t ev a rb o r d e ri sf i r s t l yp r e s e n t e d w h i c hi sm o r e 旭a s o n a b l ea n dm u c hf i t t e rf o rt h em c u c o m p u t a t i o n a tt h es a m et i m e t h e c h a n g i n gs p e e do f t h ev & qi si n v o l v e dt oc h a n g et h et r a d i t i o n a ls t a t i cs t a t u sc o n t r o li n t o d y n a m i cc o n t r 0 1 t h e d i g i t a lm c 6 8 h c 3 7 6 i sc o n s t r u c t e da sa f u z z yc o n t r o l l e r , t o g e t h e rw i t ht h ef u n c t i o n m o d u l e ss u c h 觞q a d c ，l c d d i s p l a y , k e yc o n t r o l l e dm e n u ，s c ic o m m u n i c a t i o n a n de t c t h e l o g i cm o d u l ec o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e st h ev & q ，p r o s p e c t i v ev & q ，a n dt h ec h a n g i n gs p e e d o fv & q ，t h e nj u d g e st h eo p t i m a la d j u s t i n gs c h e m eb a s e do nt h ei m p r o v e ds t r a t e g ya n dt h e t w o l e v e lf u z z yr e a s o n i n g a sar e s u l lt h ea d j u s t i n gt i m e sa r ed e c r e a s e dw i t ht h ee l e c t r i c a l p o w e rq u a i l t yi m p r o v e d a n dt h ej u d g i n ga b i l i t yu n d e rt h eu n c e r t a i nf a c t o r si se n h a n c e d a tl a s t ，t h en o v e lb l u e t o o t ht e c h n o l o g yi ss t u d i e da n da p p l i e dt or e b u i l tr s 2 3 2f o r w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n w h i c he n h a n c e st h ea d p a r a t u s sn e t w o r kf e a t u r ea n di n t e r o p e r a t i o n a b i l i t y a n df u r t h e r l y , t h e s u b s t a t i o n s c o n f i g u r a t i o n i s s i m p l i f i e d ，a n d t h et r e n do ft h e c o o r d i n a t e dc o n t r o la n dp r o t e c t i o n ( c c p ) w i l lb ee a s i e rt ob ei m p l e m e n t e d t h ea c t u a la l g o r i t h ma n dt h em a t e r i a lh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g na r ep r e s e n t e d a n d t h ee r ro ft h ev e r y s h o r t - t e r mp r e d i c t i o ni sa n a l y z e dv i as i m u l a t i o n ，w h i c hp r o v e dt h ev a l i d i t y o f t h e s t r a t e g y k e y w o r d s ：a v q c ；a d a p t i v ev e r y 。s h o r t - t e r mf o r e c a s t ；g r a ym o d e lg m ( i ，1 ) ；g r a yr e l a t i v i t y a n a l y s i s ；f u z z yl o g i ca n a l y s i s ；3 2 - b i tm c um c 6 9 h c 3 7 6 ；b l u e t o o t hw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y 武汉大学电气工程学院 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的申请硕士学位的论文是本人在导师的指导下 独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的 研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 何侈 日期i 加多年厂月旁j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子舨，允许论文 被查阅和借阅。本人授权武汉大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 保密口，在年解密后使用本授权书。 本学位论文属于不保密口。 作者签名： 导师签名： 确珐 强本事 日期：哆年r 月多7 日 日期：沙吵刀易1 日 武汉大学硕士论文 基于超短期自适应预测的变电站电压无功综台模糊控制 第一章绪论 电压是电能质量的主要指标之一，电压质量对电网稳定及电力设备安全 运行具有重大影响。无功是影响电压质量的一个重要因素，无功功率的不足 或过大，将引起系统电压的下降或上升，极端情况下可导致某些枢纽变母线 电压大幅度下降而出现“电压崩溃”现象，因而电压无功控制问题已引起越 来越多的重视。而尽量减少无功在线路上的流动、降低网损、经济供电是每 一供电部门的目标，各级变电站担当着电压和无功调节的重要任务。 1 1 电力系统v q c 概述 1 1 1 电力系统的电压调节 1 电压调节的基本要求 在国家能源部1 9 8 8 年颁发的电力系统电压和无功电力管理条例中规 定： ( 1 ) 3 5 k v 及以上电压供电的用户：允许偏离额定电压5 ： ( 2 ) l o k v 以下的高压供电的用户和低压电力用户：允许偏离7 ； ( 3 ) 低压照明用户：允许偏离额定电压1 0 - - - + 5 。 当系统发生事故时，电压损耗比正常情况下的要大，因此对电压质量的 要求允许降低一些，通常允许事故时的电压偏移较正常情况下大5 。 2 电力系统中枢点的电压管理 电力系统调压的目的是保证系统中负荷点的电压在允许的偏移范围内。 但是由于负荷点数目多且分散，不可能也没必要对每一个负荷点的电压进行 监控。所以通常选择一些主要的供电点作为中输电进行监视和调整。中枢点 的调压方式分为三类： ( 1 ) 逆调压：在大负荷时升高电压，小负荷时降低电压的调压方式。 ( 2 ) 顺调压：在大负荷时允许中枢点电压低一些，但不低于线路额定电压 的1 0 2 5 ；小负荷时允许其电压高一些，但不超过线路额定电压的1 0 7 5 。 ( 3 ) 常调压：中枢点电压保持为大约恒定的值，一般较线路额定电压高 2 - 5 。 3 电压调整的基本原理和手段 现以图1 一l 所示的简单电力系统为例，说明电压调整的基本原理，并分 析相应的调整手段。 第l 页 武汉大学硕士论文基于超短期自适应预测的变电站电压无功综台模糊控制 v gi ：k 1k 2 ：lv h 卜一r + j x 刊 图1 一i电力系统电压调整原理 设系统参数如图i - 1 ，忽略变压器损耗，线路电压损耗为a v ，则b 点电 压k 为： k ：，毛以= h 一等掣儿( 1 - 1 ) 由公式( 1 i ) 可见，调整圪可以采取的手段有： ( 1 )调节励磁电流以改变发电机端电压矿； ( 2 ) 改变升压变的变比k ，： ( 3 ) 改变线路参数r ，j ； ( 4 ) 改变降压变的变比k ，； ( 5 ) 改变无功功率q 的分布。 对于降压变电站的v q c ( v o l t a g e & r e a c t i v e p o w e rc o n t r 0 1 ) 来讲，可实 施的调节手段为( 4 ) 和( 5 ) ，其调节特性和策略将在后续章节中进步阐述。 1 1 2 电力系统的无功补偿 无功补偿需要有无功电源，电力系统中的无功电源，除了发电机以外， 还有同步调相机、静电电容器及静止补偿器，这三种装置又称无功补偿装置。 因此无功补偿的方法要从这三个方面来实现。 1 同步调相机 同步调相机相当于空载运行的同步电动机。过励磁运行时，向系统供给 感性无功功率。欠励磁时从系统吸收感性无功功率，能根据装设地点电压的 数值平滑改变输出( 或吸收) 的无功功率，有强行励磁装置时，还有利于提 高系统的稳定性。但同步调相机是旋转设备，运行维护比较复杂，且有功损 耗大，在满负荷时约为额定容量的1 5 5 ，容量越小，百分值越大。小容 量的调相机每千伏安容量的投资费用也较大。故同步调相机宜于大容量集中 使用，容量小于5 兆伏安的一般不安装。 2 静电电容器 电力电容器是目前使用最广、最基本的一种无功补偿器件。静电电容器 只能发出无功功率，功率特性为： 第2 页 武汉大学硕士论文基于超短期自适应预测的变电站电压无功综台模糊控制 ( 1 2 ) 电容器的投资费用较小，运行时功率损耗也较小。且电容器组没有旋转 部件，所以维护也比较方便。用晶闸管对电容器组的投切进行控制，可以实 现对无功补偿功率的不连续调节。由于晶闸管开关的响应时间短，能够准确 地选择电容器投切的角度，所以可实现零电流导通，避免投切时过流过压产 生，实现电容器的无冲击投切。而且，利用晶闸管进行快速投切控制，能有 效的跟踪补偿快速变化的负载，抑制电压的闪变，提高电力系统的稳定性。 3 静止型无功补偿器 静止型无功功率补偿装置s v c ( s t a t i c v a t c o m p e n s a t o r ) 是由静电电容器 和电抗器并联组成。s v c 于上世纪6 0 年代开始问世，是无功功率快速调节的 新技术。由于它能够提供连续变化的感性无功功率或容性无功功率，跟踪补 偿电网中的无功负荷，在给定范围内实现平稳的电压控制，因此已逐步取代 同步调相机。 1 2 当前研究变电站v q c 的重要意义 电压是电能质量的主要指标之一。v q c 可以减少电压不合格率，提高电 压的稳定度，从而对电网稳定及电力设备安全运行、线路损失、工农业安全 生产、产品质量、用电损耗和人民生活用电都有有益的影响。 1 v q c 可调整馈线电压分布，提高系统的供电质量 电力系统馈电线路上流动着有功和无功功率，随着负荷的变化，馈线末 端电压变化剧烈。馈线上电压分布变化太大对用户不利，也影响装置寿命。 综合控制后可以配合调节变压器分接头和电容器组，减小馈线电压分布陡度， 从而提高末端电压稳度。 2 v q c 可提高系统的功率因数 电网除了要负担用电负荷的有功功率p ，还要负担负荷的无功功率q 。 有功功率p 、无功功率q 和视在功率s 之间存在下述关系，即： s ：、而 ( 1 3 ) 而电力网的功率因数定义为： = p = c o s p ( 1 4 ) s 其物理意义是线路供给的有功功率p 占视在功率s 的百分数。在电力网 的运行中，我们所希望的是功率因数越大越好，如能做到这一点，则电路中 第3 面 = 武汉大学硕士论文基于超短期白适应预测的变电站电压无功综合模糊控制 的视在功率相大部分用来供给有功功率，以减少无功功率的消耗。无功补偿 就是补充线路中的容性无功，以减少感性q ，从而提高系统功率因数。 3 合理的v q c 可以减少电压损耗 如图1 1 所示，电网电压损失可由下式求出： v ：k ，一“：p r + q x ( 卜5 ) 、。 v 可以看出，影响a v 的因素有四个：线路的有功功率p 、无功功率q 、电 阻r 和电抗x 。如果补偿无功容量q ，则电压损失为： 矿：丝塑二鱼：丛( 1 6 ) v 故采用补偿电容提高功率因数后，电压损失a v 减小，改善了电压质量。 4 合理的v q c 可以降低线损 电网的线损( 或称网损) 与电源布局、网络结构、负荷分布及运行管理 等有着直接的关系。因此，线损率是衡量电力系统建设和完善化以及运行管 理水平高低的一项综合性技术经济指标。 从功率损耗计算公式： a p ：壁呈鲨( 1 7 ) 也b ： 廿：，+ 峨：害+ 譬 8 ) 可见，当有功功率和无功功率通过线路电阻时，会造成有功功率损耗。 当系统有功功率p 一定时，输送的无功功率越小，总的功率损耗就越小。例 如，南加州e d i s o n 公司( s c e ) 实施开关电容器自动投切项目1 6 i ，实时读取 电压、无功值，送给后台机，运用配电容自动化算法( d i s t r i b u t i o nc a p a c i t o r a u t o m a t i o np r o j e c t ) d c a p 分析出电容器组开关模式、用户电压精密调节方 案，以使总的线损达到最小。 一些研究对电压损耗和电能损耗之间的关系进行定量分析，表明了每降 低1 的电压损耗，会节省1 以上的能量损耗3 1 5 1 。 5 合理的v q c 有利于提高电网的传输能力 视在功率与有功功率关系如下： p = s c o s p ( 1 8 ) 第4 页 武汉= 学硕士论文基于超短期自适应预测的变电站屯压无功综台模塑笙型 可见，在传送一定有功功率p 的条件下，c o s p 越高，所需视在功率越小。 同时，由于v q c 可以提高电压的稳定度，所以系统输电时保留的稳定裕度可 以相应减小，从而在一定的系统出力下提高了系统的传输能力。 1 3 本文所做的主要工作及特点 本文以电力系统电压无功调节的基本原理和变电站综合调控的基本目标 为基础，对目前国内外电压无功综合控制的概况和存在的问题作了仔细的分 析和比较，研究设计了适合于微处理器在线监控的新型控制策略；同时针对 目前电压无功综合控制装置存在的不足，应用新型的微处理器和通信技术， 开发设计了性能先进、稳定可靠的电压无功综合控制装置。 1 3 1 本文所做的主要工作如下： 1 、分析了电压无功综合控制的基本原理，确定变电站a v q c 的综合目标。 2 、仔细研究了国内外变电站电压无功综合控制的发展和前沿，对变电站 a v q c 的控制方式、控制策略以及具体的实现方式加以了总结和归纳，并 分析其中可以借鉴和有待改进的地方。 3 、在前人研究的基础上，分析设计了新型的综合控制方案，力求提高决策智 能度和可靠性。 4 、应用模糊逻辑进行决策分析，并将数字式单片机构造成为模糊推理机，提 高了装置对不确定信息的处理能力。 5 、以3 2 位微处理器m c 6 8 h c 3 7 6 为核心实现综合电压无功控制智能装置的硬、 软件设计。实现状态显示、人机对话、s c i 异步通信、历史数据记录、主 变滑档防护、闭锁以及告警等功能。同时在硬件和软件上都作了抗干扰措 施，提高装置的可靠性和容错能力。 6 、应用新型蓝牙技术实现控制装置异步通信的无线化，并进一步探讨蓝牙技 术在电力系统中可能的适用场合和应用性能。 7 、通过大量的仿真实验数据，验证了本模糊预测控制方案的有效性。 1 3 2 本文的创造性工作 l 、在传统九宫控制法的基础上，对控制区域进一步细分，同时使无功边界与 电压变化相关联，首次提出了具有“梯度式离散无功边界”的“改进【7 区”电压无功控制方案，使得电压无功更加合理地耦合控制，并相对地减 轻了单片微机的工作量。 2 、为了提高装置控制的灵敏度和智能度，提出了自适应动态预测控制方案。 方案建立加权最小二乘预测模型对系统在一定时间后可能出现的状态做 第5 页 武汉大学硕士论文基于超短期自适应预测的变电站电压无功综合模糊控制 出一次预测，其中的权重序列根据对系统变化情况的灰色自关联分析进行 自适应调整，使得预测模型能对电力参数的变化实现快速动态跟踪。在此 基础上，对一次预测的误差进行二次预测，考虑到残差序列的随机性和未 知性较强，对原始误差序列进行预处理后，应用g m ( 1 ，1 ) 模型实现二次预 测，用二次误差的预测结果修正一次预测结果，从而减小预测模型的整体 误差。软件仿真实验结果验证了预测模型的有效性。 j 、在控制决策中引入电压和无功的变化速度作为辅助控制量，应用模糊数学 实现多维分析控制，提出v o c 二级模糊逻辑推理决策，将传统静态区间控 制改进为动态控制，更好地反应了系统的动态特性，同时提高了决策对未 知和不确定因素的处理能力。 4 、首次在变电站a v q c 装置中应用g l u e t o o t h 技术，实现装置与上位机以及 其它智能设备的无线异步通信，提高了装置的网络通信性能、灵活性和可 互操作性，并进一步探讨了利用b l u e t o o t h 技术实现变电站局域无线网络 的方案和应用特性。 1 3 3 本文的篇章安排： 论文的篇章安排主要分为理论部分和实现部分：第二章对国内外电压无 功综合控制的发展和前沿进行了分析和总结，并探讨了耳前变电站a v q c 存 在的问题：在此基础上，第三章分析设计基于超短期自适应预测的电压无功 综合模糊控制方案。因此，第二、三章是本文的理论部分。第四、五、六章 分别阐述了综合v q c 装置的硬件实现、蓝牙无线通信接口、综合v q c 的软 件实现、以及相应的可靠性措施。第七章对本控制方案进行了仿真实验分析， 验证了装置控制方案的有效性。 第6 页 武汉大学硕士论文基于超短期自适应预测的变电站电压无功综合模糊控制 第二章关于变电站电压无功综合控制a v q c 的研究 2 1 国内外v q c 概况及研究前沿 电压无功控制一直都是电力系统运行的一个重要课题，经过长期的研究 以及现场运行的实际经验积累，电力系统v q c 得到了长足的发展。其运行控 制方式逐渐从人工手动控制向自动控制，由分散控制向综合智能控制发展。 现对国内外v q c 的发展状况总结分析如下： 2 1 1 变电站v q c 的控制方式 以往系统电压和无功的控制方式有集中控制和分散控制两种1 7 】，但随着 电力系统规模和容量的不断扩大，计算机及通信技术的迅猛发展，第三种新 的控制方式：关联分散控制方式得到了发展 8j i 。以下对三种控制方式进行分 析比较。 2 1 1 1 集中控制方式 集中控制是指在调度中心对各个配电中心的调压设备和无功补偿设备进 行统一控制。理论上讲，这种控制方式是保持系统电压正常，提高系统运行 可靠性和经济性的最佳方案。对于配电网，配电自动化技术正向集中式电压 无功控制发展【0 1 叶幢l ，它们均由调度中心对调压设备和电容器组进行远方综合 控制，对这些设备的综合控制策略在实际运行中体现出优越性。 然而，集中控制要求调度中心必须具有因地制宜的电压和无功优化实时 控制软件，由于调度中心能获得的现场实时运行数据有限，所以这种控制方 案的效率并不高：而且它需要对各配电中心具有遥测、遥信和遥控功能，对 通信的依赖性太高“。另外，集中控制要求各配电中心具备智能执行单元， 但在我国目前各变电站的基础自动化水平层次不一的情况下，实现全系统的 集中优化控制尚有较大的难度。在一些地调系统中，虽然自称对电压和无功 可以实行集中控制，但实际上只是由调度员通过r t u 执行机构，进行远方手 动操作，既不能实现自动优化控制，又增加了调度员的负担。这是目前集中 控制普遍存在的一个问题。 2 1 1 2 分散控制方式1 1 4 i - - t 1 6 1 分散控制是指在各个变电站或发电厂中，自动调节有载调压变压器的分 接头位置或其它电压调节器，同时控制无功功率补偿设备的工作状态，使得 当负荷变化时，该地区的电压和无功功率保持在规定的范围内。局域v q c 控 制能快速反应实时状态，及时进行调节，控制效率高，可以实现局部的优化， 第7 页 武汉大学硕士论文基于超短期自适应预测的变电站电压无功综合模糊控制 对提高受控站供电范围内的电压质量和降低局部网络变压器的电能损耗，减 轻值班员的操作是很有价值的。 早在l9 8 4 年，清华大学和北京供电局合作，在国内率先研制成功变电站 微机电压无功综合控制装置( 简称m v r i 型自动控制装置) ，适用于 3 5 k v 一1 1 0k v 的变电站，接着又研制成功可用于2 2 0k v 变电站的m v r _ 一i i 自 动控制装置i i 。运行结果证明，可提高电压合格率和减少电能损耗，并取得 了明显的经济效益和社会效益。这些分散安装于各变电站的自动控制装置之 所以能在现阶段得以推广，主要是投资低，价格合适，见效快，符合国情。 但分散控制不易实现全系统的最优控制，从目前电力系统自动化技术发 展的趋势和计算机、通信技术的迅速发展来看，分散控制装置若仍停留在目 前的水平就远远不能满足要求了。 2 1 1 3 分散关联控制1 1 8 i i ”i 集中控制虽然理论上能实现全局的最优控制，但它要求有复杂的应用软 件、可靠的通道和智能执行终端。即使这些条件都可以实现，因功能过于集 中，既增加了软件的复杂性，又不利于整体的可靠性。另一方面，目前国内 已有的分散控制，虽然能实现局部的优化，但实质上只是局部控制，无法实 现全局的优化。 关联分散控制的特点是：在正常运行情况下，由安装在各厂( 站) 的关 联分散控制装置根据设计好的控制规律进行调控。在紧急情况下或系统运行 方式发生大的变动时，可由调度中心直接控制或由调度中心修改下属变电站 所维持的母线电压和无功功率的定值，以满足系统安全、稳定、经济运行的 新要求。因此关联分散控制的最大优点是，在正常运行情况下，做到各关联 分散控制器责任分散、控制分散、风险分散：在紧急状态下，执行应急程序， 从而从根本上提高全系统的可靠性和经济性。这就要求执行关联分散控制任 务的装置必须具有强大的通信功能和手段。在正常运行工况下，能把控制结 果( 各台主变的分接头位置和各组电容器投、切状态) 向调度中心报告。系 统需要时，能接受上级调度下达的命令，自动修改、调整整定值或停止执行 自己的控制规律而转去作为执行单元，执行调度下达的调控命令。 论文1 提出q t b c ( qt i e l i n eb i a sc o n t r 0 1 ) 算法，通过控制有载调压 器和电容器组实现无功的分布式自动平衡。控制中引入互联线的潮流参数进 行关联分散控制，以优化控制效果。 第8 页 亟堡盔兰堡圭笙苎苎王塑堑塑鱼垩壁堡塑箜壅曼塑皇堡重堕堡垒堡塑篓型 2 1 2 变电站v q c 的控制策略 从控制理论的角度上讲，变电站电压无功控制是一个多限值、多目标的 综合最优控制问题【l ”。基于变压器分接头调节和电容器投切，国内外提出了 不少自动控制方法，较典型的有以下几种： 1 电压无功独立控制模式卅 采用电压自动控制器的变电站，一般没有考虑电压无功综合自动控制， 电压无功分散调节，而且其电容器投切由人工操作。这里，分接头用以调压， 电容器组根据无功负荷9 1 或者变压器的无功注入【2 0 1 来判断投切。该控制模式 的优点是：结构简单，投资少；安装简单方便，在负荷波动不大的变电站使 用，能提高电压合格率。但也存在一些缺点： a 电压、无功缺乏综合控制，容易造成系统冲击。 b 控制原理简单，在负荷波动情况下，分接开关动作频繁，未能实现按 电压负荷变化曲线进行有效控制的目的。 e 缺乏完善的闭锬功能，在异常情况下难以正确控制，影响电网安全。 d 未能考虑到电压无功的相互影响，因而调节效果较差。 2 电压无功简单关联控制【2 1 i 2 2 1 根据用电网功率因数或电压的变化自动投切电容器组，使功率因数维持 在某一整定的范围内，实现无功补偿。这种方法简单、易行，但未考虑变压 器分接头的调节，无功补偿效果较差。 3 基于最优潮流( o p f ) 算法的电压无功控制策略 利用调度中心的数据信息进行综合分析，常用的有最优潮流法，各种研 究提出了很多不同的o p f 算法1 2 3 1 1 2 6 1 ，但其控制方式主要是由远方调度收集 全网信息，进行综合最优潮流分析后对所有的控制装置发出控制指令。例如 西班牙电网采取离线o p f 最优潮流计算，然后利用专家系统实现电压无功控 制l z “。利用o p f 算法进行电压无功控制的优点在于能对电网进行全面分析， 实现最优分布，但是存在着一些不足： ( 1 ) 控制延迟，因为大量数据的传输与分析处理； ( 2 ) 难以得到一个精确的状态估计器来优化o p f 的性能； ( 3 ) o p f 的结果有时与运行人员的原则或者判断相偏离。 4 基于人工智能的动态规划方法【6 】1 2 7 卜1 3 1 1 这种方法通过人工智能的方法，寻找一组变压器分接头和电容器组投切 量变量，使得目标函数有最优解： 第9 页 武汉大学硕士论文 基于超短期自适应预测的变电站电压无功综合模糊控制 ，= x j 矿1 + x u + x ，叩+ x 。， ( 2 1 ) 其中x l 叫为实际电压对额定电压的偏移量：x ，为无功( 功率因数) 的偏移量； x 。为变压器分接头动作的次数；x 。为电容器组投切动作的次数。 同时，应满足不等式约束条件： a y t f 。：一天内变压器分接头动作次数之和应不大于限定值； b n 。蔓n 。一：一天内电容器投切次数之合应不大于限定值。 c 嘛。l l v i i 。i ：实际电压不大于最大值、不小于最小值。 d i p ，j p m 。：功率因数不小于限定值。 动态规划法通常是按小时对2 4 点的优化计算3 ”，文献6 1 用动态规划法 分别解决变电站无功电压控制和电容器组投切问题。文献【3 l 】为简化计算，将 控制目标分解为变电站补偿、调压装置控制和馈线上补偿电容控制两个子问 题。 基于人工智能的动态规划法需要较大的历史数据量，且计算时间一般较 长，所以不适合单片机在线控制，常用于离线计算分析。 5 按传统九区图法实现电压无功控制脚】 由于国内的计算机水平、数据库技术、状态估计、通信、实时监控等软 硬件技术仍有待发展，至今尚无成熟的适用于我国电力系统的全网智能动态 规划系统。目前在工程中使用较多的为九区控制法。 九区控制法是按电压和无功上下限值将电压一无功平面划分为9 个区域， 各个区域对应不同的控制策略。实际运行时，系统根据电压、无功运行的区 域采取相应的控制方法。 其电压上下限是根据电压合格范围确定的；无功上下限是根据每组电容 器的容量、电容偏差、无功基本平衡和保持投切相对稳定的原则来确定的。 各个区的控制规则为：l 区：电压无功均合格，稳定工作区，不调节；2 区： 电压不合格，无功合格，首先降压，若不能降压，则强切电容器：3 区：电压 无功均不合格，首先降压，若不能降压，则强切电容器；4 区：电压合格，缺 无功，投电容器；5 区：电压无功均不合格，先投电容器，若电压仍低，则升 压；6 区：电压低于下限，无功基本平衡，首先升压，若不能升压，则强投电 第l o 页 武汉大学硕士论文基于超短期白适应预测的变电站电压无功综合模糊控制 容器：7 区：电压低于下限，无功过剩，首先升压，若不能升压，则强投电容 器；8 区：电压合格，无功过剩，切除电容器；9 区：电压高于上限，无功过 剩，首先切电容器，若电压仍高，则降压。 传统九区图法原理清晰，易于用单片机实现，但对设备动作次数、经济 性欠考虑。其主要问题在于：控制策略是基于固定的电压无功上下限而未考 o 下f程jo上限 92 814 ur 限 765 l i 图2 - 1传统九宫图控制法示意图 虑无功调节对电压的影响及其相互协调关系；用于运算分析的信息有分散性、 随机性的特点，这造成了控制决策的盲目和不确定性，实际表现为设备频繁 调节。 6 细分改进九区图法 6 5 1 这种方案是将传统v q 九区图采取更加细致的划分，从而采取相应更加 细致的控制策略。典型的有1 3 区法和1 7 区法。这种方案比传统九区法合理， 能有效的减少调节装置的动作次数，提高电压质量。 7 基于专家系统的智能九区图法1 | 3 2 1 3 6 1 实际应用中，运行调试人员预先根据经验和具体要求，根据可能出现的 各种情况制定一套基于规则的专家系统。运行时，专家系统针对具体的变电 站配置情况、电压等级、系统运行时段。模拟专家决策的过程，根据规则综 合、智能地调节电压无功，从而达到预期的控制目标。 文献p 2 | 提出了应用专家系统实现变电站电压无功控制的方案及其系统的 软、硬件结构和实现环境。文献【3 3 】将微机自动调压装置获取的1 8 0 多条知识， 用产生式规则来表达，正向分层推理，建立了电压无功控制专家系统。 8 基于模糊控制理论的电压无功调节【3 6 】( 4 5 】 模糊控制适用于不确定的、有不同量纲、相互冲突的多目标优化问题， 同时，电力系统中无功调节对电压会产生影响。因此可考虑采用无功模糊边 第1 1 页 武汉大学硕士论文基于超短期自适应预测的变电站电压无功综台模糊控制 界的调节方式。将电压状态引入无功调节判据，把原先固定的无功上下限边 界变为受电压影响的模糊边界。按照这种控制策略，无功控制的新边界为两 条斜线。 具体过程为：通过模糊隶属度函数，把电压和无功偏差量、分接头挡位、 可调电容器组数等模糊化处理，转化为模糊集论域的词变量，作为模糊控制 器的输入。控制器的输出对应于控制规则表内电压和无功偏差的一种组合， 最后把控制器的输出反模糊化，得到作用于分接头和电容器组投切控制的精 确值。无功调节按照新q 限值，新边界的斜率也可随电压状态灵活地改变。 这种方法充分考虑了电压无功动态平衡，减少了设备的动作次数，保证了电 容器和分接头动作合理、有效。 模糊理论在电力系统中很早就得到了应用 4 0 4 “，在日本，模糊逻辑被用 于电压无功控制m i 43 1 ，进一步发展成为模糊专家系统的电压无功控制1 。 文献唧j 提出了一种综合控制电容器组投切和变压器分接头切换的模糊控 制算法。此算法所需信息量少，计算量小，容易在线实现。有研究将双输入 双输出模糊控制器转化为两个单变量模糊控制器的组合 3 9 1 。 文献i i 副提出模糊动态规划控制方案( f d p ) ：该算法根据一些历史数据， 利用相关分析，先确定第二天2 4 h 的负荷及高压侧电压预测值。在此基础上， 再考虑不精确的语言变量、不同负荷模型、低压侧母线电压和主变功率因数 以及一天中主变分接头和电容器最大允许的调节( 投切) 次数限制等，确立 模糊目标函数，最后通过寻找模糊目标函数的最优解来确定第二天每个时段 的分接头位置和电容器的开关状态。 f d p 的实质在于规划，需要大量的历史数据，且需要预知每个时段电容 器开关状态，否则无法解决电容器和分接头之间的协调问题。所以难以实现 在线分析控制。 文献【4 5 1 探讨了配电馈线无功补偿的模糊控制方案。 9 基于神经网络的电压无功调节、 5 3 1 人工神经网络有集体运算和自适应学习的能力，有预测性、指导性和灵 活性的特点，能大大减少变压器分接头调节次数。 a n n 已经成功的应用到负荷预测中，尤其是短期负荷预测中( 从提前几 分钟到几小时) ，如1 4 卟【5 “。目前a n n 最流行的是m l p ( m u l t i l a y e rp e r c e p t r o n ) 多层感知器模型，m l p 的基本单元为神经元【5 2 1 1 5 3 1 。 文献【47 j 出了一种基于人工神经网络的将无功预测和优化决策相结合的电 压无功综合智能控制方法。它利用神经网络技术，分析电压发生变化的原因 第1 2 面 武汉大学硕士论文基于超短期自适应预测的变电站电压无功综台模糊控制 和变化趋势，确定综合控制策略。首先，将相关的历史数据输入无功预测神 经网络训练样本集，再将负荷预测结果及电压、无功、功率因数等系统实时 数据模糊化，输入控制决策神经网络，输出控制信号。 文献【4 8 1 用历史负荷数据以环境温度作为输入变量，输出预测负荷数据。 用变电站后台机，通过电站的数据采集系统的数据来运行，已经在巴西的 c a m p i n a sc e n t r o 配电站中运行。历史数据需要3 个月以上，以1 5 分钟和2 4 小时为间隔的历史数据。可提前1 5 分钟，3 0 分钟，或提前一天。 a n n 预测通常的实现方式：以一定时间隔( 1 5 分钟或2 4 小时) 的历史 数据做序列输入a n n ( 以同样方式训练，训练中得到的负荷特性反应在神经 元的权重和阀值中) ，得出下一点或两点的数据。其机理在于认为每天的负荷 大致上按同一规律变化，用前一段时间的培训结果取出变化规律用以预测同 一时间负荷。实际上不同的日期变化规律并不相同，因此可能导致错误预测 而引起误动作。所以在线控制应该自适应的找出当前的变化规律，加以预测 控制。a n n 优点在于不需预知输入变量的规律，计算速度快。但需要离线培 训。而且一旦负荷变化特性或者运行方式发生较大变化，就难以准确预测。 需要更新模型再培训，因此自适应性较差。 a n n 存在的问题在于( 1 ) 当负荷曲线的规律变化剧烈时难以准确控制： ( 2 ) 处理独立的随机变量能力差；( 3 ) 难以辨识影响负荷变化的主要变量； ( 4 ) a n n 在线控制时如果要在线更新，需要的历史数据量大。所以，目前 的a n n 主要应用于负荷特性比较规则的较大的系统层次。 1 0 基于基因算法的电压无功控制【5 4 h 5 7 1 由于遗传算法原理简单，易于实现，不需对目标函数求导，可方便地处 理离散问题，已在电力系统中得到了广泛应用。 文献1 5 纠采用自适应的基因算法实现最优无功分配。 文献【56 j 对传统的遗传算法进行退火选择，退火选择遗传算法是对简单遗 传算法的进一步改进，这种算法引入时变因子，将模拟退火的退火因子引入 选择操作中，允许父代参加竞争且逐代保存最优个体，具有收敛速度快、全 局寻优能力强的优点。 文献| 5 将遗传算法与t s 算法结合，给出了电容器实时优化投切策略， 但在处理补偿电容投切次数限制和投切时间上显得比较粗糙。 1 1 分时段负荷预测优化控制【5 6 】【5 7 j 文献1 56 j 根据负荷水平及其变化趋势，对已装有补偿电容和在变电站装有 有载调压变压器的配电网，提出了分时段优化控制的策略。其方法主要依据 第1 3 页 武汉大学硕士论文基于超短期自适应预测的变电站电压无功练台模糊控制 f m i n f ( i 一：) = e 2 + 碍 工i 。工l 工i 一 ( 2 2 ) 10 蔓z ! x 2 免出现振荡，有研究通过增加一些控制分支并设置临界条件缓冲带，以提高 装置的可靠性和安全性。其实质是将定量限值变成一个范围带。但是设置临 第1 4 页 武汉丈学硕士论文基于超短期自适应预测的变电站电压无功综合模糊控制 界缓冲带的方法并不可取，这样相当于放松了边界要求，使得电压无功的不 合格时间增加。特别是当电压无功在边界范围附近缓慢波动时，其值可能长 期处于不合格状态。 还有其他控制算法，如分析法【6 0 】【6 ”，非线性程序法6 2 1 1 63 1 ，混合程序法删 等，这里不一一进行分析。 2 1 3 变电站综合v q c 的实现方式 2 1 3 1 基于变电站自动化系统的v q c 变电站中一般均有用于当地和远方监控的自动化系统或具有“四遥”功 能的r t u 装置，它们有完善的i o 功能，包括对测量量及信号量的采集。该 装置也具备控制变压器分接开关、电容器开关动作的功能。因此在此装最的 基础上添加相应的电压无功控制模块到变电站自动化系统软件中，将系统采 集到的信息进行计算、分析，输出控制命令，即可实现v q c 控制目的。具体 有两种实现方式： 1 自动化系统后台机软件v q c ( 1 ) 结构特点 其特点是v q c